劉雙橋，劉瑞斌，龐 鵬，李 清，楊連棟

（中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

隨著人們對(duì)建筑的要求不斷提高，不僅有堅(jiān)固耐用的基本要求，對(duì)建筑美學(xué)也提出了新的要求，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也逐漸成為我國(guó)近年來(lái)建筑設(shè)計(jì)中使用較多的一種建筑類型。該類型結(jié)構(gòu)常用施工方法主要有高空原位拼裝法、提升法、累積滑移法等［1］。本文以武漢夢(mèng)時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目屋頂鋼網(wǎng)架為例，提出一種新型網(wǎng)架局部超應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算模擬進(jìn)行桿件分類、加固，從而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力體系，確定敏感桿件范圍，大幅度降低由于施工工藝原因需要替換的桿件數(shù)量，節(jié)約施工成本，降低原材消耗，有利于推動(dòng)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

1 工程概況

武漢夢(mèng)時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目是華中地區(qū)集商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)為一體的最大的商業(yè)綜合體，總建筑面積達(dá) 80 萬(wàn) m2，是華中地區(qū)地標(biāo)性建筑。本項(xiàng)目屋蓋層有近 2 萬(wàn) m2異型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架跨度 45 m，網(wǎng)架厚度 3 m。作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的核心部件，桿件的結(jié)構(gòu)可靠性直接影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性。同時(shí)，各種新型施工工藝的成熟使得在施工方案上有了更多合理的選擇。通過(guò)多種方案比選將網(wǎng)架分為 4 個(gè)部分，采用地面拼裝+整體提升施工工藝。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下降至混凝土結(jié)構(gòu)屋面進(jìn)行地面拼裝，拼裝完成后利用既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座混凝土柱作為提升架進(jìn)行整體提升施工。

因屋面結(jié)構(gòu)具有很多出屋面的樓梯間設(shè)備間等結(jié)構(gòu)與拼裝網(wǎng)架干涉，故網(wǎng)架分為散拼區(qū)及提升區(qū)，具體分區(qū)如圖 1 所示。

圖1 網(wǎng)架提升區(qū)布置圖

整體提升施工工藝的使用使得原結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的載荷工況相對(duì)于原設(shè)計(jì)工況更加復(fù)雜，因此充分模擬施工過(guò)程，提前辨識(shí)出關(guān)鍵區(qū)域受力桿件，通過(guò)整體位移、形變及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題桿件，并提供可靠的局部桿件加固技術(shù)將成為結(jié)構(gòu)安全使用的重中之重。如何有效地完成以上工作內(nèi)容，確保施工質(zhì)量，使得與新型工藝相結(jié)合的局部桿件加固技術(shù)顯得很有研究?jī)r(jià)值和意義。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模擬分析及鎖定加固截面

2.1 結(jié)構(gòu)概況

夢(mèng)時(shí)代項(xiàng)目 AB 區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在整體提升施工階段，地面拼裝工況支撐點(diǎn)的改變，地面拼裝與結(jié)構(gòu)存在干涉區(qū)域?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不完整，提升器油壓不同帶來(lái)的不同步運(yùn)行所引起的內(nèi)力集中，大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的空間剛度會(huì)有所下降，更容易出現(xiàn)局部桿件失效的情況，且該種情況的表現(xiàn)較為隱蔽，施工完成后更容易出現(xiàn)隱患。

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)模擬計(jì)算中，桿件僅僅受到拉力或壓力，但在實(shí)際受力過(guò)程中，別個(gè)重點(diǎn)區(qū)域桿件需要承擔(dān)額外載荷，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)不相符且在局部存在較大偏差。

項(xiàng)目采用 sap 計(jì)算軟件進(jìn)行提升工況模擬，桿件均采用梁?jiǎn)卧M，梁按照壓彎構(gòu)件計(jì)算。驗(yàn)算變形時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)取 1.0，驗(yàn)算強(qiáng)度時(shí)荷載分項(xiàng)系數(shù)取 1.5［2］?？紤]提升時(shí)不同步，考慮 1.2 倍的不均勻超載系數(shù)。吊點(diǎn)位置施加豎向約束和水平彈簧的形式來(lái)模擬鋼絞線對(duì)吊點(diǎn)的約束。提升工況分析中，網(wǎng)架的桿件應(yīng)力比應(yīng)控制在 0.9 以內(nèi)。根據(jù) GB 50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］，受拉桿件長(zhǎng)細(xì)比＜300（支座附近＜250），受壓桿件長(zhǎng)細(xì)比＜180。

計(jì)算結(jié)果如圖 2～圖 4 所示，根據(jù)圖 4 可知，在正常受力狀態(tài)下，應(yīng)力比超過(guò) 0.5 的桿件數(shù)量約占 80 %，應(yīng)力比超過(guò) 0.8 約占總數(shù)的 22 %，應(yīng)力比超過(guò) 0.94 的有 60 根，部分桿件應(yīng)力比超過(guò) 2。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高應(yīng)力比桿件并及時(shí)追蹤，確保結(jié)構(gòu)安全。不滿足桿件應(yīng)力比 0.9 的桿件需要進(jìn)行加固或置換。

圖2 網(wǎng)架變形云圖

圖3 網(wǎng)架桿件應(yīng)力比圖（桿件替換前）

圖4 原設(shè)計(jì)網(wǎng)架桿件提升工況應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)圖（桿件補(bǔ)強(qiáng)/替換前）

2.2 加固或置換思路原則

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段或者施工準(zhǔn)備階段，可以根據(jù)施工方案直接選擇替換。如果因某些原因中途修改施工方案，桿件已經(jīng)加工，再進(jìn)行替換會(huì)花費(fèi)非常大的代價(jià)及時(shí)間精力。進(jìn)而為解決此問(wèn)題提出一種桿件加固技術(shù)，使得原受壓桿件可以通過(guò)有效補(bǔ)強(qiáng)避免發(fā)生屈曲。

2.3 網(wǎng)架桿件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

通過(guò) ansys 模擬分析可知，當(dāng)壓桿長(zhǎng)細(xì)比大于某個(gè)值時(shí)，使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的極限應(yīng)力遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的屈服極限強(qiáng)度，該情況下，通過(guò)一定手段對(duì)桿件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理可顯著提升該桿壓桿的穩(wěn)定性；當(dāng)壓桿長(zhǎng)細(xì)比小于某個(gè)值時(shí)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的極限應(yīng)力接近結(jié)構(gòu)的屈服極限強(qiáng)度，該情況下直接在設(shè)計(jì)中對(duì)原桿件進(jìn)行替換是更合理的選擇。通過(guò)計(jì)算鎖定極限長(zhǎng)細(xì)比，合理劃分替換桿件和加固桿件是技術(shù)核心。

通過(guò)以上分析可知，網(wǎng)架局部加固技術(shù)即為通過(guò)施工模擬和施工過(guò)程監(jiān)測(cè)，減少設(shè)計(jì)階段的替換桿件，重點(diǎn)監(jiān)控有較大的概率突破設(shè)計(jì)限值的桿件，并采取相應(yīng)措施的技術(shù)。

首先，應(yīng)先分析原設(shè)計(jì)條件下，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各個(gè)區(qū)間桿件的應(yīng)力應(yīng)變水平，鎖定超應(yīng)力比的桿件范圍；其次，應(yīng)在控制值下分析出施工過(guò)程中的最不利狀態(tài)，將該狀態(tài)下的施工模擬計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，篩選出兩種狀態(tài)下應(yīng)力比水平較高的桿件重復(fù)覆蓋范圍，進(jìn)一步縮小關(guān)注區(qū)域；再次，對(duì)于拉桿，直接進(jìn)行桿件替換。對(duì)于壓桿，應(yīng)將壓桿型號(hào)做進(jìn)一步分析，根據(jù)桿件截面的分布規(guī)律，確定極限長(zhǎng)細(xì)比。由于低長(zhǎng)細(xì)比的桿件其穩(wěn)定應(yīng)力相對(duì)于高長(zhǎng)細(xì)比的桿件不敏感，因此低于極限長(zhǎng)細(xì)比的桿件直接在設(shè)計(jì)中予以替換，高于極限長(zhǎng)細(xì)比的桿件將納入重點(diǎn)監(jiān)控范圍；最后，通過(guò)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)結(jié)合上述分析結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注敏感區(qū)高長(zhǎng)細(xì)比桿件的變形情況，并將超出理論變形狀態(tài)下的桿件進(jìn)行加固處理。

根據(jù)桿件初步判斷，最容易出現(xiàn)屈服敏感臨界狀態(tài)的桿件為φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm 圓管。因此，本文討論重點(diǎn)為上述三種桿件的臨界狀態(tài)。

3 加固技術(shù)實(shí)施方案與節(jié)點(diǎn)

根據(jù)上述分析擬選用較為簡(jiǎn)單的增加肋板施工。

采用專業(yè)焊接施工人員，將加固用肋板安裝在需加固的桿件之上，加固扁鋼與鋼管可采用斷續(xù)焊，焊段長(zhǎng)度為 15d，凈距≤15d，d為扁鋼厚度。其中，扁鋼長(zhǎng) 4 000 mm，高度 80 mm，厚度 6 mm，具體如圖 5 所示。

圖5 桿件加固大樣

4 有限元分析

4.1 桿件分析流程

各類型壓桿的屈曲分析流程如下：①用特征值法求得壓桿的屈曲臨界載荷；②分析壓桿在該臨界載荷下的最大應(yīng)力；③將步驟 2 中計(jì)算得到的最大應(yīng)力與壓桿的屈服強(qiáng)度 235 MPa 進(jìn)行比較，定性分析各壓桿的屈曲穩(wěn)定性能。

1）建模。采用實(shí)體建模：不帶肋的壓桿模型、帶加強(qiáng)肋的壓桿模型。

2）網(wǎng)格劃分。單元尺寸設(shè)為 20 mm。

3）載荷和約束設(shè)置。在壓桿的兩端設(shè)置鉸接約束，在壓桿的頂部加載豎直向下的 1 N 的力。

4.2 屈曲模態(tài)分析

所求得的正的第一階屈曲模態(tài)頻率即為壓桿的屈曲臨界載荷大小，φ114×4不帶肋圓管的正第一階屈曲模態(tài)頻率為 203 490 Hz，即表明該圓管的屈曲臨界載荷為 203 490N（見(jiàn)圖 6）。

圖6 加載模型

4.3 應(yīng)力分析

1）對(duì)圓管施加步驟 4.2 中求得的屈曲臨界載荷203 490 N，分析圓管在該臨界載荷下的應(yīng)力，如圖 7 所示，φ114 mm×4 mm 不帶肋圓管在該載荷作用下的最大應(yīng)力為 147 MPa。

圖7 φ114 mm×4 mm 不帶肋圓管在屈曲臨界載荷作用下的最大應(yīng)力為 147 MPa

2）依次重復(fù)上述步驟對(duì)其他圓管進(jìn)行分析，得出各壓桿在臨界載荷下的最大應(yīng)力。

3）通過(guò)上述計(jì)算可知，φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm 圓管加肋后的的最大屈曲應(yīng)力均超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，φ159 mm×10 mm 圓管無(wú)論是否加肋其最大屈曲應(yīng)力均超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，以上狀態(tài)下的桿件均對(duì)屈曲不敏感。

4.4 計(jì)算比值

將各壓桿的最大應(yīng)力與壓桿的屈服強(qiáng)度 235 MPa［2］進(jìn)行比較，求得各最大應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值，如表 1 所示。

表1 最大應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值表

4.5 選取截面

從表 1 可以看出，φ114 mm×4 mm 不帶肋圓管在屈曲時(shí)的最大應(yīng)力僅為材料屈服強(qiáng)度的 0.63，材料利用率不高；φ140 mm×4 mm 不帶肋圓管在屈曲時(shí)的最大應(yīng)力為材料屈服強(qiáng)度的 0.96，材料利用率較高；φ159 mm×10 mm 不帶肋圓管在屈曲時(shí)的最大應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度，說(shuō)明該種壓桿在屈服時(shí)還沒(méi)有屈曲，截面選取偏大。

綜上，以φ140 mm×4 mm 截面為限，φ140 mm ×4 mm 以下截面的材料利用率不高，以上截面的選取偏大，將φ140 mm×4 mm 作為極限截面為最優(yōu)選擇。

5 夢(mèng)時(shí)代網(wǎng)架桿件替換方案

5.1 提升工況下需替換桿件

按提升工況進(jìn)行施工過(guò)程模擬，應(yīng)力比超 0.94 的桿件需進(jìn)行桿件替換，具體布置如圖 8 所示。

圖8 提升工況替換桿件

如圖 8 所示，提升工況下，計(jì)劃替換桿件 156 根，其中 80 根桿件為壓桿，76 根桿件為拉桿，替換桿件涉及到的截面型號(hào)為φ88.5 mm×4 mm、φ114 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm、φ159 mm×12 mm、φ180 mm×12 mm、φ219 mm×14 mm。

5.2 經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化后需替換桿件

經(jīng)過(guò)上述桿件截面篩選，設(shè)計(jì)階段替換桿件數(shù)量得以優(yōu)化，具體布置如圖 9 所示。

圖9 優(yōu)化后需替換桿件

如圖 9 所示，優(yōu)化后替換桿件 108 根，其中 32 根桿件為壓桿，76 根桿件為拉桿，替換桿件涉及到的截面型號(hào)為φ88.5 mm×4 mm、φ140 mm×4 mm、φ159 mm×10 mm、φ159 mm×12 mm、φ180 mm×12 mm、φ219 mm×14 mm。相比于提升工況，經(jīng)過(guò)截面篩選的替換桿件數(shù)量得到優(yōu)化，替換桿件減少了 48 根。

6 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)的意義在于通過(guò)多種模擬計(jì)算，確定敏感桿件范圍。由于壓桿穩(wěn)定性和桿件長(zhǎng)細(xì)比相關(guān)，因此通過(guò)鎖定極限長(zhǎng)細(xì)比，將敏感桿件一分為二，低長(zhǎng)細(xì)比桿件將直接在設(shè)計(jì)階段用更大規(guī)格桿件替換，高長(zhǎng)細(xì)比桿件重點(diǎn)監(jiān)控，從而大幅度降低由于施工工藝原因需要替換的桿件數(shù)量，大大節(jié)約施工成本，降低原材消耗，同時(shí)有成熟的加固技術(shù)可以保障結(jié)構(gòu)安全。

大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的監(jiān)控及模擬計(jì)算是網(wǎng)架桿件加固技術(shù)的關(guān)鍵步驟，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果及施工過(guò)程監(jiān)測(cè)結(jié)果確定重點(diǎn)桿件關(guān)注范圍，通過(guò)采用桿件替換或桿件加固提高桿件的穩(wěn)定性，從而影響整個(gè)受力體系，對(duì)新型工藝的施工過(guò)程進(jìn)行有效控制，保證施工過(guò)程的平穩(wěn)、安全。該研究為其他工程的類似研究與應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，有利于推動(dòng)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件加固技術(shù)。Q